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Una DUNA de doble fase | revista de simetría

octubre 23, 2018
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Es un momento emocionante en la física de partículas. Rompecabezas abundan. Hay indicios de cosas que no encajan con el mejor modelo del universo de los científicos, y los investigadores se inspiran unos a otros mientras investigan todos.

Un ejemplo reciente proviene del Deep Underground Neutrino Experiment, un proyecto internacional de megascience con más de 1100 científicos de 32 países. Está alojado en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía en Batavia, Illinois. Fermilab enviará un haz de partículas llamadas neutrinos directamente a través de 800 millas (1300 km) de tierra a un enorme detector de partículas -cuatro módulos que contienen 70,000 toneladas totales de argón líquido- que se alojarán en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Los científicos esperan aprender más sobre las propiedades de estas partículas misteriosas, que podrían tener algo que ver con el motivo por el cual existe la materia.

Uno de los prototipos de los enormes módulos de detector DUNE utilizará un concepto que es relativamente nuevo para la ciencia de neutrinos pero familiar para los investigadores de otras partes de la física de partículas: el detector de doble fase.

Aprender de las búsquedas de materia oscura

La materia viene en diferentes fases, las más familiares son sólidas, líquidas y gaseosas. Todos los detectores de partículas de doble fase hasta la fecha tienen una cosa en común: usan una combinación de fases líquida y gaseosa. Esto también será cierto para DUNE, cuyo módulo de doble fase de argón líquido y gaseoso lo convertirá en el detector de doble fase más grande que se haya creado cuando esté en línea a mediados de la década de 2020.

Los detectores de doble fase pueden registrar una interacción de partículas dos veces: primero cuando ocurre la colisión en el líquido, creando un destello de luz, y nuevamente cuando el rociado resultante de partículas ingresa al área llena de gas y produce aún más señales. Tener estos dos indicadores permite una reconstrucción especialmente precisa y clara de la interacción original.

Una persona en un traje limpio examina los componentes de ProtoDUNE

El investigador Jae Yu comprueba los componentes dentro del detector ProtoDUNE de doble fase.

Foto por CERN

Los experimentos de Neutrino que usan tecnología de doble fase han comenzado a surgir solo en los últimos años, pero ha sido un estándar de la industria para experimentos de materia oscura durante mucho más tiempo.

Los neutrinos y la materia oscura son dos de los mayores misterios de la física de partículas en la actualidad. Los neutrinos rara vez interactúan con la materia, y tomó aproximadamente 25 años desde la “invención” teórica de los neutrinos hasta su detección real en 1956. Hoy, los neutrinos intrigan a los científicos con sus pequeñas pero inesperadas masas y su capacidad de transformarse entre al menos tres tipos diferentes como viajan por todo el universo. La materia oscura nunca se ha observado directamente, pero los científicos infieren la existencia de estas partículas propuestas a partir de evidencia indirecta, como la velocidad improbable a la que las galaxias giran sin separarse.

La tecnología de doble fase para detectores de materia oscura, originalmente propuesta en la década de 1970, está bien establecida y ha ayudado a producir resultados líderes de materia oscura durante la última década, afirma Cristian Galbiati, físico de Princeton y portavoz del experimento de materia oscura DarkSide-50 actualmente. recolectando datos en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de INFN en Italia.

Al igual que DUNE, DarkSide usa argón como medio de detección. Pero cada experimento enfrenta sus propios desafíos particulares. Por un lado, a diferencia de DUNE, DarkSide no debe tener ruido de fondo, señales que podrían malinterpretarse como un descubrimiento de partículas de materia oscura.

“Tan pronto como tienes un evento de fondo, eres un brindis”, dice Galbiati. “Se ha comprobado que los detectores de doble fase ofrecen una condición completamente libre de fondo si el argón está limpio”.

Esto significa que el experimento tiene que usar argón con muy baja radiactividad, especialmente adquirida y destilada de una fuente subterránea en Colorado. También será cierto para la próxima generación del experimento, DarkSide-20k, que requerirá 20 toneladas de argón ultrapuro. Los investigadores que trabajan en múltiples detectores de materia oscura a pequeña escala que utilizan argón, incluyendo DEAP 3600, ARDM, MiniCLEAN y DarkSide-50, se han unido y han formado la Colaboración Global Dark Matter Argon para trabajar en el detector de próxima generación, programado para en línea en Gran Sasso en 2022. Le seguirá una versión aún más grande alrededor de 2027.

Argon no es el único juego en la ciudad. Otros detectores de fase doble de la materia oscura usan diferentes gases nobles, como el xenón en LUX o el experimento LUX-ZEPLIN de la siguiente generación. LZ usará 10 toneladas del material y debería ver “primero a oscuras” en 2020.

Una vista de la parte inferior del soporte PMT de LUX

Tubos fotomultiplicadores, que recogen la luz, se instalaron en este marco para el experimento LUX de materia oscura.

C.H. Faham / LUX

Como el prototipo DUNE de doble fase, el detector LZ es un instrumento grande y complicado con muchos sistemas diferentes que deben unirse, dice Dan McKinsey, co-portavoz de LUX y científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC Berkeley, que está trabajando. en LZ. Él enumera algunos de los avances tecnológicos en los que está trabajando el proyecto que también son relevantes para los detectores de neutrinos de doble fase como DUNE: “Alto voltaje, recolección de luz, pureza, estos desafíos a toda escala”. Se convierten en desafíos más grandes a medida que los detectores crecen “.

Tecnologías de empuje con DUNE de doble fase

DUNE hará uso de los módulos de detector monofásico y bifásico en el sitio remoto del experimento en Dakota del Sur.

La tecnología monofásica de argón, que utiliza solo argón líquido, ya se ha demostrado en experimentos de neutrinos de corta distancia, como MicroBooNE en Fermilab, que usa un detector del tamaño de un autobús escolar, y en experimentos de larga distancia, como ICARUS, un 760 -ton detector que anteriormente operaba en Gran Sasso utilizando un haz de neutrinos que viajó 450 millas (725 km) desde el CERN, el Centro Europeo de Investigación Nuclear. Y la tecnología de neutrinos de doble fase hizo un progreso significativo con el detector WA105 3X1X1.

Sin embargo, cuando está creando algo tan grande como DUNE, quiere ejecutar pruebas para asegurarse de que todo funcione como se espera. Con ese fin, los colaboradores están construyendo enormes bancos de prueba monofásicos y de doble fase llamados detectores ProtoDUNE en el CERN. En la nueva plataforma de neutrinos del laboratorio, dirigida por Marzio Nessi, los científicos están completando los dos detectores de 800 toneladas para dar a las tecnologías para DUNE una prueba final.

Vista aérea de la plataforma CERN Neutrino

Los dos detectores ProtoDUNE están alojados en la plataforma de neutrinos del CERN.

Foto por CERN

“El objetivo de estos dispositivos es desarrollar la tecnología y asegurarnos de hacer las cosas de la manera correcta”, dice Filippo Resnati, coordinador técnico de la instalación de neutrinos en el CERN. “Pero también es muy agradable saber que a pesar de estas pruebas, estas son las dos cámaras de proyección de líquido de argón más grandes que se hayan construido, y de lejos en el menor tiempo”.

El prototipo monofásico debe terminar de rellenarse con argón líquido y debe ponerse en marcha antes de que finalice el verano, al ver las primeras pistas de partículas en el otoño. El prototipo de doble fase recientemente terminó la primera prueba de un componente clave llamado plano de lectura de carga, o CRP, que amplificará los electrones en el gas y recogerá sus señales. Los CRP y otros componentes deberían instalarse este otoño.

“Tenemos que asegurarnos de trabajar juntos como equipo y de que cada una de estas tecnologías puede funcionar”, dice Jae Yu, un físico de la Universidad de Texas en Arlington que trabaja en la ProtoDUNE de doble fase. “Siempre es mejor tener diferentes tecnologías para que podamos verificar el uno al otro”.

Algunas de las ventajas de utilizar la tecnología de doble fase son, en comparación con la configuración monofásica, señales más fuertes y más limpias y un umbral de energía más bajo, lo que significa que el detector puede ver neutrinos de menor energía. La amplificación de los electrones en el gas hace que la señal se destaque del ruido de fondo. Los detectores monofásicos intentan captar la señal lo antes posible, lo que significa que los componentes electrónicos están generalmente dentro del detector, dentro del argón líquido a una temperatura criogénica. Por el contrario, los componentes electrónicos del detector de doble fase se alojarán en chimeneas especiales accesibles desde el exterior.

“Se puede acceder a la electrónica en cualquier momento que se necesite, sin contaminar el argón líquido”, dice Dario Autiero, líder del proyecto DUNE para los grupos del Instituto Nacional Francés de Física Nuclear y de Partículas (IN2P3). “Este concepto y el diseño de la electrónica son innovadores, y llevó mucho tiempo desarrollarlos”.

Otra ventaja: casi todo el argón líquido dentro del detector de doble fase es una gran región productora de señal, lo que hace que el análisis de datos sea menos complicado. Por el contrario, los detectores monofásicos se segmentan en fragmentos, lo que significa que las diferentes secciones se tienen que combinar posteriormente para el análisis de datos, y se tienen en cuenta las brechas.

Una persona con atuendo de sala limpia se sienta dentro del detector ProtoDUNE.

Una persona con ropa de sala limpia se sienta dentro del detector ProtoDUNE de doble fase.

Foto por CERN

Pero con esos beneficios vienen desafíos para el diseño de doble fase de DUNE.

El cátodo de la caja de campo, el componente eléctrico que atrae los electrones hacia las piezas de grabación de señal, debe operarse a un voltaje alucinante de alrededor de 600,000 voltios. Además, los CRP deben estar perfectamente nivelados en el borde de las fases líquida y gaseosa del argón y funcionar establemente, sin chispas.

“Somos, en cierto sentido, pioneros”, dice Inés Gil Botella, líder del grupo CIEMAT en España que está trabajando en los elementos que capturarán la luz dentro del detector de doble fase. “Este es un desafío tecnológico a estas escalas porque nunca se había hecho antes”. Es un momento muy emocionante, pero también un momento muy crítico. Estamos avanzando en la tecnología “.

La superposición entre las tecnologías de fase dual para la materia oscura y los experimentos de neutrinos continuará en el futuro previsible. La Colaboración Global Argon Dark Matter ya está estudiando el diseño del criostato ProtoDUNE como una carcasa potencial para su experimento de 20 toneladas, y los colaboradores de ProtoDUNE están buscando cómo el detector de prototipo de doble fase podría usarse para buscar un tipo particular de materia oscura.

“Cuanto más lo pienso, más me enamoro de esta tecnología”, dice Yu. “Es bonito. Es fascinante. Es una obra de arte. Es elegante Y es solo el comienzo. Hay mucho más trabajo por hacer “.